JP2010127796A

JP2010127796A - 真空計

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Publication number: JP2010127796A
Application number: JP2008303397A
Authority: JP
Inventors: Noriaki Ishikawa; 範明石河; Takeshi Suzuki; 健鈴木; Masayoshi Shimoda; 将義下田
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2008-11-28
Filing date: 2008-11-28
Publication date: 2010-06-10
Anticipated expiration: 2028-11-28
Also published as: JP5151935B2

Abstract

【課題】高圧測定用の第１の振動方向と低圧測定用の第２の振動方向とを使い分けることで測定可能な圧力範囲を広げている真空計において、測定する気体の圧力によって振動方向を切り替える際の測定不能な時間の発生を無くすとともに、振動方向を切り替える回路が必要ないようにした真空計を提供する。
【解決手段】真空計の機構部分を成す構造体は、錘1、梁2および振動体固定部3からなる振動体4、振動体4を第1の振動方向に加振する加振電極5および6、振動体4を第2の振動方向に加振する加振電極7および8、振動体4の第1の振動方向の振動を検出するための振動検出電極9および10、振動体4の第2の振動方向の振動を検出するための振動検出電極11および12から構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、振動体を利用した真空計に関し、特に、前記振動体を測定可能な圧力範囲が異なる２方向に振動させるようにした真空計に関する。

従来、振動方向によって測定することができる気体の圧力範囲が異なる振動体を利用した真空計が、たとえば下記特許文献１に開示されている。
特開平０８-３３８７７６号公報（図５，0059段落）

真空計において振動体を利用する場合、一般に、板状振動子のQ値は、気体の圧力Pに反比例する。したがい、板状振動子のQ値は、気体の圧力Pとの関係において、振動体の形状に依る係数をCとすると、以下の式（１）のように表すことができる。

真空計(真空センサともいう)の振動体のQ値の実用測定範囲は、100から100,000程度である。そのため、測定可能な圧力範囲が3桁程度で制限されるという課題があった。

また上述の特許文献１における真空計は、高圧測定用の第１の振動方向と、低圧測定用の第２の振動方向を使い分けることで測定することができる気体の圧力範囲を広げている。しかし、振動方向を切り替えるときに気体の圧力を測定することができない時間が発生するという課題がある。また、振動方向を切り替える回路が必要であり、回路が複雑となるという課題もある。

上記した課題を解決するために本発明は、高圧測定用の第１の振動方向と低圧測定用の第２の振動方向とを使い分けることで測定可能な圧力範囲を広げている真空計において、測定する気体の圧力によって振動方向を切り替える際の測定不能な時間の発生を無くすとともに、振動方向を切り替える回路が必要ないようにした真空計を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の真空計は、第１の振動方向と該第１の振動方向に直交する第２の振動方向とに振動することができるように形成された振動体と、該振動体を静電力により駆動する加振電極部と、前記振動体の振動を検出する振動検出部と、該振動検出部の検出信号に基づき、この検出信号の位相を変えて増幅することにより前記振動体を加振する駆動信号を生成する駆動信号生成部とを有し、前記駆動信号を前記加振電極部に印加して前記振動体を共振状態に保持して、前記振動体の振動特性から雰囲気の圧力を測定する真空計であって、前記加振電極部として、前記振動体を第１および第２の振動方向にそれぞれ振動させるための第１および第２の加振電極部を備え、前記振動検出部として、前記振動体の第１および第２の振動方向の振動をそれぞれ検出する第１および第２の振動検出部を備え、第１の振動検出部の検出信号に基づく駆動信号を第１の加振電極部に印加することにより、前記振動体を第１の振動方向に振動させて圧力を測定する第１の圧力測定部と、第２の振動検出部の検出信号に基づく駆動信号を第２の加振電極部に印加することにより、前記振動体を第２の振動方向に振動させて圧力を測定する第２の圧力測定部とを備え、前記第１および第２の圧力測定部により前記振動体を第１および第２の振動方向に同時に振動させて各振動方向での各圧力測定を同時に行うようにしたことを特徴とする（請求項１の発明）。

上記請求項１の発明によれば、振動体を測定可能な圧力範囲が異なる第１および第２の振動方向の両方で振動させて圧力を測定するようにすることにより、測定可能な圧力範囲を広げることが可能である。

また、上記請求項１の発明によれば、振動体を第１および第２の振動方向に同時に振動させて各振動方向での各圧力測定を同時に行うことにより、気体の圧力によって振動方向を切り替える場合におけるような切り替えの際の測定不能な時間の発生を無くすことが可能となり、広範囲の圧力を連続的に測定することができるようになる。

また、上記請求項１の発明によれば、振動体の振動方向を切り替える回路が必要ないため、回路を簡略化することが可能である。
上記請求項１に記載の真空計において、前記第１の振動方向と前記第２の振動方向とで測定することができる圧力範囲が異なるようにするとよい（請求項２の発明）。

上記請求項１または２に記載の真空計において、前記第１の加振電極部として、前記振動体の両側に第１の振動方向に沿って設置された第１および第２の加振電極から成る１組の加振電極を備えるとともに、前記第２の加振電極部として、前記振動体の両側に第２の振動方向に沿って設置された第３および第４の加振電極から成る１組の加振電極を備え、前記駆動信号生成部は、前記第１および第２の振動検出部の各検出信号の位相をそれぞれ変化させる第１および第２の位相シフト回路と、該第１および第２の位相シフト回路の各出力信号をそれぞれ増幅する第１および第２の増幅器と、該第１および第２の増幅器の各出力信号の位相をそれぞれ反転させる第１および第２の反転回路と、を有し、第１の振動検出部の検出信号に基づく逆相の駆動信号として、前記第１の反転回路および前記第１の増幅器の各出力信号を前記第１および第２の加振電極にそれぞれ印加することで、前記振動体の第１の振動方向における共振状態を保持するとともに、第２の振動検出部の検出信号に基づく逆相の駆動信号として、前記第２の反転回路および前記第２の増幅器の各出力信号を前記第３および第４の加振電極にそれぞれ印加することで、前記振動体の第２の振動方向における共振状態を保持するようにするとよい（請求項３の発明）。

上記請求項１ないし３のいずれか１項に記載の真空計において、前記駆動信号生成部は、前記駆動信号の電圧が一定となるように、前記振動検出部の検出信号の位相を変えた信号に対する増幅のゲインを調整するものであり、前記第１，第２の圧力測定部は、前記振動検出部の検出信号の大きさに基づいて圧力を測定するようにするとよい（請求項４の発明）。

上記請求項１ないし３のいずれか１項に記載の真空計において、前記駆動信号生成部は、前記振動検出部の検出信号の大きさが一定となるように、前記振動検出部の検出信号の位相を変えた信号に対する増幅のゲインを調整するものであり、前記第１，第２の圧力測定部は、前記駆動信号の電圧に基づいて圧力を測定するようにしてもよい（請求項５の発明）。

上記請求項１ないし５のいずれか１項に記載の真空計において、前記振動体の固有周波数に対応した周波数の初期励振信号を出力する初期励振用信号源を備え、振動体の初期駆動時には、振動検出部の検出信号に基づく駆動信号の代わりに、前記初期励振信号に基づく初期駆動信号を前記加振電極部に印加するようにするとよい（請求項６の発明）。

上記請求項１ないし６のいずれか１項に記載の真空計において、前記振動検出部は、前記振動体と検出電極との間の静電容量を検知することにより前記振動体の振動を検出するものであるようにするとよい（請求項７の発明）。

本発明によれば、振動体を測定可能な圧力範囲が異なる第1の振動方向と第2の振動方向の両方で圧力を測定することで、評価可能な圧力範囲を広げることが可能である。また、第1の振動方向と第2の振動方向を同時に振動させ各圧力を同時に測定することで、広範囲の圧力を連続的に測定することが可能である。また、振動方向を切り替える回路が必要ないため、回路を簡略化することが可能である。

以下、発明を実施するための最良の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る真空計の機構部分を成す構造体の平面図であり、図２は、図１に示す構造体の側面図である。図１および図２において真空計の機構部分を成す構造体は、錘1、梁2および振動体固定部3からなる振動体4、振動体4を第1の振動方向に加振する加振電極5および6、振動体4を第2の振動方向に加振する加振電極7および8、振動体4の第1の振動方向の振動を検出するための振動検出電極9および10、振動体4の第2の振動方向の振動を検出するための振動検出電極11および12から構成される。

次に、振動体4の形状、振動体4のQ値および気体の圧力Pとの関係について説明する。振動体4は気体分子の衝突により、抵抗力を受ける。分子流領域においては、気体分子による抵抗力は気体の圧力Pに正比例する。気体の圧力が低くなるに従い、振動体4が気体分子から受ける抵抗力が低下するため、振動体のQ値（共振の鋭さ）は高くなる。ただし、振動体4は固有のQ値Q_Eを持っており、固有のQ値Q_E以上になることはない。すなわち、振動体4が測定することが可能な気体の圧力の下限は、固有のQ値Q_Eによって制限されることを意味する。

振動体4のQ値と気体の圧力Pは、f_rを振動体4の固有周波数、mを錘の質量、Sを気体の抵抗力を受ける面積、Rを気体定数、Tを温度、Mを気体分子1molあたりの質量とすると、

という関係にあることが知られている。
図３は、本発明の実施形態に係る振動体の設計値の一例を示す図であり、図４は、図３に示した振動体の設計値におけるQ値と気体の圧力Pとの関係を示す図である。図４に示すように、第1の振動方向に振動させた場合に測定することができる気体の圧力は約10Paから約10000Pa、第2の振動方向に振動させた場合に測定することができる気体の圧力は約0.1Paから約100Paである。すなわち、振動方向によって測定することができる気体の圧力を変えることができる。なお、図３に示される振動体の第１および第２の振動方向における各固有周波数は、例えば、振動体の材質をシリコンとした場合、それぞれ、約1680Hzおよび約560Hzとなる。

次に、本発明の実施形態に係る真空計の回路構成について説明する。図５は、本発明の実施形態に係る真空計の回路構成を示すブロック図であり、振動体4と振動検出電極9、10、11および12の静電容量の変化に応じた電圧を出力する容量電圧変換回路20、21、22および23、容量電圧変換回路20と21との出力の差分を出力する差分回路24、容量電圧変換回路22と23との出力の差分を出力する差分回路25、差分回路24の出力の位相を変化させる位相シフト回路26、位相シフト回路26の出力を増幅する増幅器28、入力された信号の位相を180度反転させる反転回路30、振動体4を第1の振動方向に初期加振するための初期加振用信号源32、加振電極5および6に印加される信号を選択するスイッチ回路34、差分回路25の出力の位相を変化させる位相シフト回路27、位相シフト回路27の出力を増幅する増幅器29、入力された信号の位相を180度反転させる反転回路31、振動体4を第2の振動方向に初期加振するための初期加振用信号源33、加振電極7および8に印加される信号を選択するスイッチ回路35から構成される。

次に、図３に示した振動体を利用した本発明の実施形態に係る真空計の動作について説明する。図５において、振動体4が初期加振される場合、スイッチ回路34および35はそれぞれAとB、DとEが接続された状態である。初期駆動用信号源32から振動体4の第1の振動方向の固有振動数に対応した周波数の信号が出力され、反転回路30を経て加振電極5に印加されるとともに加振電極6にも印加される。一方、初期駆動用信号源33から振動体4の第2の振動方向の固有振動数に対応した周波数の信号が出力され、反転回路31を経て加振電極7に印加されるとともに加振電極8にも印加される。初期加振用信号源32および33は初期駆動するときのみ使用され、振動体4が振動し始めた後はスイッチ回路34および35が切り替えられ、それぞれAとC、DとFが接続された状態となる。なお、スイッチ回路34および35の切替制御は、例えば、振動体4の振幅、すなわち、振動体4の変位に応じて出力される差分回路24および25の出力信号の各大きさが予め設定した値に到達したことを図示されないスイッチ回路用制御部で検出し、その検出タイミングで前記スイッチ回路用制御部からスイッチ回路34および35にB側からC側への切替信号およびE側からF側への切替信号をそれぞれ与えることにより行うことができる。

そして、スイッチ回路34および35でAとCとが接続されるとともにDとFとが接続された状態において、差分回路24の出力信号の位相を位相シフト回路26でシフトし、増幅器28で増幅し、さらに増幅器28の出力の位相を反転回路30で反転させる。反転回路30の出力および増幅器28の出力が加振電極5および加振電極6にそれぞれ印加され、振動体4の第1の振動方向の共振状態を保持する。一方、差分回路25の出力信号の位相を位相シフト回路27でシフトし、増幅器29で増幅し、さらに増幅器29の出力の位相を反転回路31で反転させる。反転回路31の出力および増幅器29の出力が加振電極7および加振電極8にそれぞれ印加され、振動体4の第2の振動方向の共振状態を保持する。

加振電極5および6に印加する駆動信号の電圧が一定となるように増幅器28のゲインを、また加振電極7および8に印加する駆動信号の電圧が一定となるように増幅器29のゲインをそれぞれ調節する構成とした場合、振動体4の第１および第２の振動方向における各Q値に対応して振動体4の第１および第２の振動方向における各振幅、すなわち、振動体の変位量に応じて差分回路24および25から出力される信号の大きさが変化する。したがって、差分回路24および25の出力信号の大きさを第１および第２の振動方向における各Q値に変換し、さらにそれぞれ気体の圧力Pに変換することで、気体の圧力を測定することが可能である。また、差分回路24および25の各出力信号（振動体の振幅）から各圧力P値への変換は、Q値を介さないで直接的に変換するようにしてもよい。

ここで、図３に示される設計値であって材質がシリコンである振動体の場合、例えば第１の振動方向においては、加振電極5および6に印加する駆動信号の電圧が一定となるように増幅器28のゲインを調整するときの、差分回路24の出力信号の大きさ（振動体の振幅）と圧力P値との関係は、図６に示されるような、（約10Pa程度以上の）高圧領域では振幅が圧力にほぼ反比例するとともに低圧側では振幅がその最大限界値に向かって飽和していく特性となる。

そして、例えば、差分回路24および25の各出力信号の大きさ（振動体の振幅）と各圧力P値との関係の特性データを取得し、この特性データのデータテーブルを格納した記憶部を備えた変換手段により、実測定時における上記各出力信号（振動体の振幅）から各圧力P値への変換を行う構成としてもよく、また、上記特性データの曲線から近似的に求められた関係式を格納した記憶部を備えた変換手段により、実測定時における上記各出力信号（振動体の振幅）から各圧力P値への変換を行う構成としてもよい。

また、振動体4の振幅、すなわち、振動体4の変位に応じて出力される差分回路24および25の出力信号の大きさが一定となるように増幅器28および29のゲインをそれぞれ調整する構成とすることもできる。この場合、振動体4の第１および第２の振動方向における各Q値に対応して増幅器28および29から加振電極5，6および7，8側に印加される各駆動信号の電圧が変化するので、各駆動信号を第１および第２の振動方向における各Q値に変換し、さらにそれぞれ気体の圧力Pに変換することで、気体の圧力を測定することが可能である。また、各駆動信号から各圧力P値への変換は、Q値を介さないで直接的に変換するようにしてもよい。

ここで、図３に示される設計値であって材質がシリコンである振動体の場合、例えば第１の振動方向においては、差分回路24の出力信号の大きさ（振動体の振幅）が一定となるように増幅器28のゲインを調整するときの、駆動信号の大きさ（駆動電圧）と圧力P値との関係は、図７に示されるような、（約10Pa程度以上の）高圧領域では駆動電圧が圧力にほぼ比例するとともに低圧側では駆動電圧がその最小限界値に向かって飽和するように減少していく特性となる。

そして、例えば、各駆動信号の大きさと各圧力P値との関係の特性データを取得し、この特性データのデータテーブルを格納した記憶部を備えた変換手段により、実測定時における各駆動信号から各圧力P値への変換を行う構成としてもよく、また、上記特性データの曲線から近似的に求められた関係式を格納した記憶部を備えた変換手段により、実測定時における各駆動信号から各圧力P値への変換を行う構成としてもよい。

また、振動体4を第1の振動方向と第2の振動方向に同時に振動させ、それぞれの振動方向で気体の圧力を測定するため、振動方向を切り替える場合と異なり連続的に気体の圧力を測定することが可能である。また、気体の圧力によって振動方向を切り替える必要がないため、制御回路などが簡単になる。

なお、本発明では、第１および第２の振動方向における各Q値に対応して２つの圧力P値が求められるが、その測定時における気体の圧力レベルが高圧領域（例えば約10Pa以上）あるいは低圧領域（例えば約10Pa未満）のいずれにあるかに応じて、第１あるいは第２の振動方向におけるいずれかのQ値に対応する圧力P値を選択して出力する、図示されない出力信号選択回路を設けることにより、真空計から常に適正な圧力測定信号を出力することができるようになる。

本発明の実施形態に係る真空計の機構部分を成す構造体の平面図である。図１に示す構造体の側面図である。本発明の実施形態に係る振動体の設計値の一例を示す図である。図３に示した振動体の設計値におけるQ値と気体の圧力Pとの関係を示す図である。本発明の実施形態に係る真空計の回路構成を示すブロック図である。図３に示した設計値の振動体の第１の振動方向において駆動電圧が一定となるように増幅器ゲインを調整した場合の振動体の振幅と気体の圧力Ｐとの関係を示す図である。図３に示した設計値の振動体の第１の振動方向において振動体の振幅が一定となるように増幅器ゲインを調整した場合の駆動電圧と気体の圧力Ｐとの関係を示す図である。

符号の説明

１錘
２梁
３振動体固定部
４振動体
５〜８加振電極
９〜12 振動検出電極
20〜23 容量電圧変換回路
24，25 差分回路
26，27 位相シフト回路
28，29 増幅器
30，31 反転回路
32，33 初期駆動用信号源
34，35 スイッチ回路

Claims

第１の振動方向と該第１の振動方向に直交する第２の振動方向とに振動することができるように形成された振動体と、該振動体を静電力により駆動する加振電極部と、前記振動体の振動を検出する振動検出部と、該振動検出部の検出信号に基づき、この検出信号の位相を変えて増幅することにより前記振動体を加振する駆動信号を生成する駆動信号生成部とを有し、前記駆動信号を前記加振電極部に印加して前記振動体を共振状態に保持して、前記振動体の振動特性から雰囲気の圧力を測定する真空計であって、
前記加振電極部として、前記振動体を第１および第２の振動方向にそれぞれ振動させるための第１および第２の加振電極部を備え、
前記振動検出部として、前記振動体の第１および第２の振動方向の振動をそれぞれ検出する第１および第２の振動検出部を備え、
第１の振動検出部の検出信号に基づく駆動信号を第１の加振電極部に印加することにより、前記振動体を第１の振動方向に振動させて圧力を測定する第１の圧力測定部と、
第２の振動検出部の検出信号に基づく駆動信号を第２の加振電極部に印加することにより、前記振動体を第２の振動方向に振動させて圧力を測定する第２の圧力測定部とを備え、
前記第１および第２の圧力測定部により前記振動体を第１および第２の振動方向に同時に振動させて各振動方向での各圧力測定を同時に行うようにした
ことを特徴とする真空計。
請求項１に記載の真空計において、前記第１の振動方向と前記第２の振動方向とで測定することができる圧力範囲が異なることを特徴とする真空計。
請求項１または２に記載の真空計において、
前記第１の加振電極部として、前記振動体の両側に第１の振動方向に沿って設置された第１および第２の加振電極から成る１組の加振電極を備えるとともに、前記第２の加振電極部として、前記振動体の両側に第２の振動方向に沿って設置された第３および第４の加振電極から成る１組の加振電極を備え、
前記駆動信号生成部は、前記第１および第２の振動検出部の各検出信号の位相をそれぞれ変化させる第１および第２の位相シフト回路と、該第１および第２の位相シフト回路の各出力信号をそれぞれ増幅する第１および第２の増幅器と、該第１および第２の増幅器の各出力信号の位相をそれぞれ反転させる第１および第２の反転回路と、を有し、
第１の振動検出部の検出信号に基づく逆相の駆動信号として、前記第１の反転回路および前記第１の増幅器の各出力信号を前記第１および第２の加振電極にそれぞれ印加することで、前記振動体の第１の振動方向における共振状態を保持するとともに、
第２の振動検出部の検出信号に基づく逆相の駆動信号として、前記第２の反転回路および前記第２の増幅器の各出力信号を前記第３および第４の加振電極にそれぞれ印加することで、前記振動体の第２の振動方向における共振状態を保持することを特徴とする真空計。
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の真空計において、
前記駆動信号生成部は、前記駆動信号の電圧が一定となるように、前記振動検出部の検出信号の位相を変えた信号に対する増幅のゲインを調整するものであり、
前記第１，第２の圧力測定部は、前記振動検出部の検出信号の大きさに基づいて圧力を測定することを特徴とする真空計。
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の真空計において、
前記駆動信号生成部は、前記振動検出部の検出信号の大きさが一定となるように、前記振動検出部の検出信号の位相を変えた信号に対する増幅のゲインを調整するものであり、
前記第１，第２の圧力測定部は、前記駆動信号の電圧に基づいて圧力を測定することを特徴とする真空計。
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の真空計において、
前記振動体の固有周波数に対応した周波数の初期励振信号を出力する初期励振用信号源を備え、
振動体の初期駆動時には、振動検出部の検出信号に基づく駆動信号の代わりに、前記初期励振信号に基づく初期駆動信号を前記加振電極部に印加することを特徴とする真空計。
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の真空計において、
前記振動検出部は、前記振動体と検出電極との間の静電容量を検知することにより前記振動体の振動を検出するものであることを特徴とする真空計。